塑料污染正讓全球海洋“窒息”，而大多數(shù)所謂的可生物降解塑料在深海環(huán)境中表現(xiàn)不佳。如今，日本研究人員研發(fā)出一種新型生物塑料，即便在海底極端環(huán)境下也能分解。
這種以乳酸基材料制成的塑料，在近900米深的海水中放置13個月后，降解率超過80%。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著在海洋安全材料和長期污染治理策略方面取得了重大進(jìn)展。
1.全球塑料難題
據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)數(shù)據(jù)顯示，2019年全球產(chǎn)生約3.53億噸塑料垃圾。令人擔(dān)憂的是，其中約170萬噸進(jìn)入河流、湖泊和海洋等水生環(huán)境，且往往最終匯集到海洋環(huán)流形成的“垃圾帶”中，在那里留存數(shù)十年甚至數(shù)百年。
這些塑料堆積區(qū)會導(dǎo)致毒素累積、危害海洋生物，并對全球食物鏈造成影響。研發(fā)可生物降解替代材料的需求從未如此迫切。
2.生物塑料突破：聚(D-乳酸-共-3-羥基丁酸酯)(LAHB)
傳統(tǒng)聚乳酸(PLA)在海洋環(huán)境中難以降解，而LAHB生物塑料則能自然降解。該新型聚合物由信州大學(xué)水再生研究所的田口誠一教授團(tuán)隊研發(fā)，具有良好的環(huán)境相容性。
這項發(fā)表在《Polymer Degradation and Stability》期刊上的研究表明，LAHB即便在低溫、低氧、營養(yǎng)匱乏的深海環(huán)境中也能分解。這為研發(fā)契合自然循環(huán)的塑料(即便在極端條件下)開辟了道路。
3.海底實地測試
為測試這種生物塑料的性能，研究人員在日本初島附近海域部署了樣本薄膜，將其沉入855米深的海底。該深度的環(huán)境條件——溫度3.6℃、高鹽度、低氧、營養(yǎng)匱乏——會大幅減緩微生物活動，使生物降解變得極具挑戰(zhàn)性。
測試了兩種LAHB：
P6LAHB：含6%乳酸單元
P13LAHB：含13%乳酸單元
同時，將PLA薄膜作為對照樣本。P13LAHB在7個月后重量損失30.9%，13個月后達(dá)82.4%；P6LAHB同期損失42.4%和69.0%，降解速率約為PHBV的兩倍。而PLA樣本幾乎未發(fā)生變化。
“這是我們觀察到塑料在如此深的海域能被主動生物降解并完全礦化，”田口教授表示。
a 乳酸(Lactate，LA)
b 重均分子量(Mw)、數(shù)均分子量(Mn)以及多分散指數(shù)(Mw/Mn)通過凝膠滲透色譜法(GPC)測定。
c 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、熔融溫度(Tm)、每克聚合物的熔融焓(ΔHm)通過差示掃描量熱法(DSC)測定。未測定(ND，not determined)。
4.微生物作用機(jī)制：LAHB如何分解
LAHB的分解過程依賴微生物的作用。研究人員通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，LAHB薄膜表面形成了微生物生物膜——細(xì)菌聚集體。相比之下，PLA薄膜表面未發(fā)現(xiàn)微生物定植。
參與分解的微生物群落包括多個關(guān)鍵類群：
γ-變形菌綱——包括科爾韋爾氏菌屬、假蛀木桿菌屬、Agarilytica屬和UBA7957屬
α-變形菌綱
脫硫桿菌門
這些微生物產(chǎn)生的酶會逐步將塑料聚合物分解為小分子：
解聚酶將長鏈切割為三聚體和二聚體；
水解酶(如PhaZ2酶)將這些單元分解為單體；
最終分解將單體轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和其他無害化合物。
這種被稱為“塑料圈”的生態(tài)系統(tǒng)，能將合成材料轉(zhuǎn)化為自然元素。
5.為何PLA存在局限性
盡管PLA是一種廣泛使用的生物塑料，但它僅能在工業(yè)堆肥條件下降解——通常需要高溫和高濕度環(huán)境。在深海這樣的低溫、高壓環(huán)境中，PLA完全不發(fā)生反應(yīng)。
這種難降解性加劇了海洋垃圾的持久性。相比之下，LAHB在同樣惡劣的條件下不僅能降解，還能完全礦化，因此是更利于海洋環(huán)境的替代材料。
6.對可持續(xù)發(fā)展和生物經(jīng)濟(jì)的意義
這項研究的意義深遠(yuǎn)。LAHB有望應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
海洋安全包裝和運輸材料
漁具和水產(chǎn)養(yǎng)殖工具
沿海旅游用可降解容器
此外，它還能助力實現(xiàn)更廣泛的目標(biāo)——構(gòu)建循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)，使材料不僅具有可再生性，還能無害地重新融入自然循環(huán)。
“證實LAHB在海底的降解能力，讓我們離研發(fā)出與自然和諧共生而非對立的塑料更近了一步，”田口教授指出。
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